Torsion et liaison d’ondes de matière avec des photons dans une cavité

Mesurer avec précision les états énergétiques d’atomes individuels constitue un défi historique pour les physiciens en raison du recul atomique. Lorsqu’un atome interagit avec un photon, l’atome « ​​recule » dans la direction opposée, ce qui rend difficile la mesure précise de la position et de l’impulsion de l’atome. Ce recul peut avoir de grandes implications pour la détection quantique, qui détecte des changements infimes dans les paramètres, par exemple en utilisant les changements dans les ondes gravitationnelles pour déterminer la forme de la Terre ou même détecter la matière noire.

Dans un nouvel article publié dans Science, Ana Maria Rey et James Thompson, boursiers JILA et NIST, Murray Holland, boursier JILA, et leurs équipes ont proposé un moyen de surmonter ce recul atomique en démontrant un nouveau type d’interaction atomique appelée interaction d’échange d’impulsion, où les atomes échangeaient leurs impulsions en échangeant les photons correspondants. .

À l’aide d’une cavité – un espace clos composé de miroirs – les chercheurs ont observé que le recul atomique était atténué par les atomes échangeant des états énergétiques dans l’espace confiné. Ce processus a créé une absorption collective d’énergie et dispersé le recul parmi l’ensemble de la population de particules.

Grâce à ces résultats, d’autres chercheurs peuvent concevoir des cavités pour amortir le recul et d’autres effets extérieurs dans un large éventail d’expériences, ce qui peut aider les physiciens à mieux comprendre les systèmes complexes ou à découvrir de nouveaux aspects de la physique quantique. Une conception améliorée de la cavité pourrait également permettre des simulations plus précises de la supraconductivité, comme dans le cas du croisement Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) ou des systèmes physiques à haute énergie.

Pour la première fois, il a été observé que l’interaction d’échange de quantité de mouvement induisait une dynamique de torsion sur un axe (OAT), un aspect de l’intrication quantique, entre les états de quantité de mouvement atomique. L’OAT agit comme une tresse quantique pour enchevêtrer différentes molécules, chaque état quantique étant tordu et connecté à une autre particule.

Auparavant, l’OAT n’était observée que dans les états internes des atomes, mais maintenant, avec ces nouveaux résultats, on pense que l’OAT induite par l’échange de quantité de mouvement pourrait aider à réduire le bruit quantique provenant de plusieurs atomes. Être capable d’enchevêtrer les états de quantité de mouvement pourrait également conduire à l’amélioration de certaines mesures physiques réalisées par des capteurs quantiques, tels que les ondes gravitationnelles.

Tirer parti d’un réseau de densité

Dans le cadre de cette nouvelle étude, inspirée des recherches antérieures de Thompson et de son équipe, les chercheurs ont examiné les effets de la superposition quantique, qui permet à des particules telles que des photons ou des électrons d’exister simultanément dans plusieurs états quantiques.

« Dans ce [new] projet, les atomes partagent tous la même étiquette de spin ; la seule différence est que chaque atome est dans une superposition entre deux états d’impulsion », a expliqué Chengyi Luo, étudiant diplômé et premier auteur.

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient mieux contrôler le recul atomique en forçant les atomes à échanger des photons et leurs énergies associées. Semblable à un jeu de ballon chasseur, un atome peut « lancer » un « ballon chasseur » (un photon) et reculer dans la direction opposée. Cette « balle prisonnière » peut être attrapée par un deuxième atome, ce qui peut provoquer le même recul pour ce deuxième atome. Cela annule les deux reculs subis par les deux atomes et les fait en moyenne pour l’ensemble du système de cavités.

Lorsque deux atomes échangent leurs différentes énergies de photons, le paquet d’ondes résultant (la distribution des ondes d’un atome) en superposition forme un graphique d’impulsion connu sous le nom de réseau de densité, qui ressemble à un peigne fin.

Luo a ajouté : « La formation du réseau de densité indique deux états de quantité de mouvement. [within the atom] sont « cohérents » les uns avec les autres, de sorte qu’ils pourraient interférer [with each other] » Les chercheurs ont découvert que l’échange de photons entre les atomes provoquait une liaison des paquets d’ondes des deux atomes, de sorte qu’il ne s’agissait plus de mesures distinctes.

Les chercheurs pourraient induire un échange de quantité de mouvement en explorant l’interaction entre le réseau de densité et la cavité optique. Parce que les atomes échangeaient de l’énergie, tout recul dû à l’absorption d’un photon était dispersé parmi l’ensemble de la communauté des atomes plutôt que parmi les particules individuelles.

Amortir le décalage Doppler

En utilisant cette nouvelle méthode de contrôle, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient également utiliser ce système d’amortissement du recul pour aider à atténuer un problème de mesure distinct : le décalage Doppler.

Le décalage Doppler, un phénomène de la physique classique, explique pourquoi le son d’une sirène ou d’un klaxon de train change de tonalité lorsqu’il passe devant un auditeur ou pourquoi certaines étoiles apparaissent rouges ou bleues dans les images du ciel nocturne. C’est le changement de fréquence de l’onde comme la source et l’observateur se rapprochent (ou s’éloignent) l’un de l’autre. En physique quantique, le décalage Doppler décrit le changement d’énergie d’une particule dû au mouvement relatif.

Pour des chercheurs comme Luo, le décalage Doppler peut être un défi à relever pour obtenir une mesure précise. « Lors de l’absorption des photons, le recul atomique entraînera un décalage Doppler de la fréquence du photon, ce qui constitue un gros problème lorsqu’on parle de spectroscopie de précision », a-t-il expliqué. En simulant leur nouvelle méthode, les chercheurs ont découvert qu’elle pouvait surmonter les biais de mesure dus au décalage Doppler.

Échange d’élan enchevêtrant

Les chercheurs ont également découvert que l’échange de quantité de mouvement entre ces atomes pourrait être utilisé comme une sorte d’intrication quantique. Comme l’a dit John Wilson, un étudiant diplômé du groupe Holland : « Lorsqu’un atome tombe, son mouvement fait varier la fréquence de la cavité. Cela, à son tour, encourage d’autres atomes à ressentir collectivement ce mécanisme de rétroaction et les pousse à corréler leur mouvement à travers le groupe Holland. oscillations partagées.

Pour tester encore plus cet « enchevêtrement », les chercheurs ont créé une plus grande séparation entre les états de quantité de mouvement des atomes, puis ont induit l’échange de quantité de mouvement. Les chercheurs ont découvert que les atomes continuaient à se comporter comme s’ils étaient connectés. « Cela indique que les deux états d’impulsion oscillent réellement l’un par rapport à l’autre comme s’ils étaient reliés par un ressort », a ajouté Luo.

Pour l’avenir, les chercheurs prévoient d’approfondir cette nouvelle forme d’intrication quantique, dans l’espoir de mieux comprendre comment elle peut être utilisée pour améliorer divers types de dispositifs quantiques.